阅读说明：本技术 一种具有优化的焦深、工作距和轴向光强均匀性的探头 (Probe with optimized focal depth, working distance and axial light intensity uniformity ) 是由 丁志华 邱建榕 王迪 刘智毅 韩涛 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种具有优化的焦深、工作距和轴向光强均匀性的探头,本发明由一段用于导光的单模光纤、用于提高光传输效率以及调控模式能量的一号梯度折射率光纤、用于产生模式干涉场(MIF)以及调控模间相位差的大纤芯光纤、用于放大MIF的二号梯度折射率光纤、无芯光纤以及用于聚焦的三号梯度折射率光纤组成。本发明在扩展焦深的同时,优化了轴向光强均匀性,并且延长了工作距。本发明不要求相位稳定性、不需要机械扫描并且使用同一条光路实现照明和探测,非常有利于探头的小型化设计；本发明容许更大的制造误差,降低了制造成本。(The invention provides a probe with optimized focal depth, working distance and axial light intensity uniformity, which consists of a section of single-mode optical fiber for guiding light, a first gradient refractive index optical fiber for improving light transmission efficiency and regulating and controlling mode energy, a large fiber core optical fiber for generating a Mode Interference Field (MIF) and regulating and controlling the phase difference between modes, a second gradient refractive index optical fiber for amplifying the MIF, a coreless optical fiber and a third gradient refractive index optical fiber for focusing. The invention optimizes the uniformity of axial light intensity and prolongs the working distance while expanding the focal depth. The invention does not require phase stability, does not need mechanical scanning, realizes illumination and detection by using the same light path, and is very beneficial to the miniaturization design of the probe; the invention allows larger manufacturing error and reduces manufacturing cost.)

一种具有优化的焦深、工作距和轴向光强均匀性的探头

技术领域

本发明属于光学相干层析成像(OCT，Optical coherence tomography)领域，具体涉及一种利用光纤中的模式干涉同时实现焦深扩展、工作距延长、轴向光强均匀性优化的探头。

技术背景

OCT能通过内窥探头获取活体内部组织的高分辨三维结构信息和功能信息[1]，是一种重要的成像手段。与常规的光学成像方法相比，OCT的轴向分辨率与横向分辨率无关，而是取决于光源的相干长度。使用目前最先进的宽带光源，其轴向分辨率能达到1～5个微米[2]。但是如果将横向分辨率提高到同等的量级，由于光束在焦点附近的快速发散特性，OCT的有效成像范围将受限于光束极短的焦深。

为了解决横向分辨率和焦深的矛盾，多种方案被提出来并且实现了一个数量级的焦深拓展，比如数字聚焦^[3,4]，动态聚焦^[5]和准光针(Optical needle)聚焦^[6]。但是上述方法有的需要相位稳定性，有的需要机械扫描，有的需要使用两条光路分别实现照明和探测。因此，这些方法难以应用于小型化的探头中。通过化学腐蚀^[7]或研磨抛光^[8]制作的微型轴锥镜、通过软光刻制作的微型二元相位板^[9]已用于探头焦深的扩展，但与台式系统相比，这些微型光学元件对探头的焦深拓展倍数十分有限。另一方面，一种除了对一系列光纤进行切割和熔接，而无需其它加工工艺的基于相位掩模板的方案被报道出来^[10]，但是这种基于相位掩模板的方案对光纤的切割精度要求很高。另一种在全光纤探头中实现焦深扩展的方法利用了阶跃折射率光纤中的高阶模式^[11,12]，但是焦深区域内的干涉相消现象导致出射光束的光强在轴向上分布不均匀，对整体成像效果产生了不利影响。最近，我们观察到通过调制光纤型光瞳滤波器中的多模干涉场能用于扩展全光纤探头的焦深^[13]，但是，原有的探头设计的工作距有限。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种具有优化的焦深、工作距和轴向光强均匀性的探头。

一种具有优化的焦深、工作距和轴向光强均匀性的探头，包括单模光纤SMF、一号梯度折射率光纤GIF1、大纤芯光纤LCF、二号梯度折射率光纤GIF2、无芯光纤NCF和三号梯度折射率光纤GIF3；

所述的单模光纤SMF、一号梯度折射率光纤GIF1、大纤芯光纤LCF、二号梯度折射率光纤GIF2、无芯光纤NCF和三号梯度折射率光纤GIF3依次熔接；所述的二号梯度折射率光纤GIF2将调控模间相位差的大纤芯光纤LCF与二号梯度折射率光纤GIF2界面的MIF成像放大至GIF3的入瞳处；所述的无芯光纤NCF的长度为成像放大后的MIF刚好充满GIF3的入瞳。经成像放大后的MIF最终作为探头的光瞳滤波器，有利于焦深的扩展以及工作距的延长。

作为优选，所述的大纤芯光纤LCF末端产生一个模式干涉场MIF；所述模式干涉场MIF受一号梯度折射率光纤GIF1和大纤芯光纤LCF的长度调控，，其中一号梯度折射率光纤GIF1调控模式干涉场MIF的模式能量，大纤芯光纤LCF调控模式干涉场MIF的模间相位差。

作为优选，各段光纤的外径与标准单模光纤的外径相同，保证了所熔接的探头结构稳定可靠。集成的探头相当于一根单模光纤，方便用于各种内窥场景。

作为优选，所述的用于聚焦的三号梯度折射率光纤GIF3的长度为实现OCT系统所要求的横向分辨率。

所述的模间相位差可通过LCF的长度调节，是优化出射光束的轴向光强均匀性的关键。

所述的GIF1用于提高光传输效率以及调控模式能量。例如：GIF1的长度为四分之一节距时，GIF1与其后的LCF之间的耦合效率较高，LCF中主要存在LP₀₁模，LCF中的模式干涉可忽略；GIF1的长度为0(无GIF1)时，光能倾向于分布在LCF的高阶模中，但SMF与LCF的直接耦合可能导致较高的***损耗。

在本发明中，我们提出基于模式干涉的同时扩展焦深、延长工作距以及优化出射光束的轴向光强均匀性的设计。我们使用经透镜放大的模式干涉场而不是直接衍射放大的模式干涉场作为最终的光瞳滤波器以获得更大的焦深和更长的工作距。出射光束的光强在轴向上的均匀性则通过调节模式间相位差实现优化。上述探头由一段用于导光的单模光纤、用于提高光传输效率以及调控模式能量的一号梯度折射率光纤、用于产生模式干涉场(MIF)以及调控模间相位差的大纤芯光纤、用于放大MIF的二号梯度折射率光纤、无芯光纤以及用于聚焦的三号梯度折射率光纤组成。

与背景技术相比，本发明的有益效果有：

1.与数字聚焦，动态聚焦和准光针聚焦相比，本发明不要求相位稳定性、不需要机械扫描并且使用同一条光路实现照明和探测，非常有利于探头的小型化设计；

2.与基于微型轴锥镜、微型二元相位板的方法相比，所提出的探头的制作与传统全光纤探头的制作工艺兼容，除了对一系列光纤进行切割和熔接，无需其它加工工艺。此外，本发明选用的一系列光纤具有与标准单模光纤相同的外包层直径(仅125μm)，因此由它们熔接而成的探头结构可靠，应用场景灵活；

3.与基于相位掩模板的方法相比，本发明容许更大的制造误差，降低了制造成本；

4.与利用高阶模式的方法相比，本发明通过调节模间的相位差，进一步优化了出射光束轴向光强的均匀性；

5.与基于光纤型光瞳滤波器的原有设计相比，本发明使用经透镜放大的模式干涉场而不是直接衍射放大的模式干涉场作为最终的光瞳滤波器，在同等的横向分辨率下，获得了更大的焦深和更长的工作距。

附图说明

图1(a)是传统探头的结构示意图。SMF，单模光纤；NCF，无芯光纤；GIF，梯度折射率光纤。

图1(b)是本发明所提出的探头的结构示意图。SMF，单模光纤；GIF1，一号梯度折射率光纤；LCF，大纤芯光纤；GIF2，二号梯度折射率光纤；NCF，无芯光纤；GIF3，三号梯度折射率光纤；P1和P2是由GIF2的透镜成像关系决定的一对物像共轭面。

图2六种典型情况下所仿真的空气中出射光束的光场强度分布。光强根据光源的光强作归一化处理，并在图中以二次方根尺度显示。

图3(a)是制作的传统探头的显微照片。SMF，单模光纤；NCF，无芯光纤；GIF，梯度折射率光纤。

图3(b)是制作的所提出的探头的显微照片。SMF，单模光纤；GIF1，一号梯度折射率光纤；LCF，大纤芯光纤；GIF2，二号梯度折射率光纤；NCF，无芯光纤；GIF3，三号梯度折射率光纤。

图4扫频OCT系统原理图。

图5(a)传统探头在空气中的出射光束的半高全宽(Full width half maximum,FWHM)直径随深度z的变化。WD表示工作距。

图5(b)所提出探头在空气中的出射光束的FWHM直径随深度z的变化。WD表示工作距。

图5(c)使用传统探头对位于探头焦点处的分辨率测试靶成像获得的反射强度图。

图5(d)使用所提出的探头对位于探头焦点处的分辨率测试靶成像获得的反射强度图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明不仅限于此。

如图1(a)所示，传统全光纤探头由一段单模光纤(SMF)、一段无芯光纤(NCF)和一段渐变折射率光纤(GIF)组成。其中SMF用于导光，NCF用于放大光束，GIF用于聚焦光束。为了扩展焦深，一系列光纤段GIF1-LCF-GIF2被***到SMF和NCF之间，如图1(b)所示。其中一号GIF(即GIF1)用于调控后面紧接着的大纤芯光纤(LCF)中激发的模式。如果没有GIF1，光能倾向于分布在LCF的高阶模式中并且由于SMF与LCF的数值孔径不匹配导致较高的***损耗。光在LCF中的传输可以分解为具有不同传播常数的线性偏振模(Linear polarizedmodes)的传输。由于探头结构的对称性以及LCF有限的V值，仅低于截止频率的LP₀₁模和LP₀₂模实质上被激发出来并在LCF中稳定传输。LP₀₁模与LP₀₂模的模式干涉在LCF的末端形成MIF。MIF可通过调节LCF的长度调控，并且作为光瞳滤波器实现焦深的扩展。另一方面，为了延长探头的工作距，MIF的尺度需要放大。一种放大MIF的方法是使MIF先在NCF中传播一段距离。但是，由于光在均匀介质中的衍射效应，经衍射放大的MIF不同于原MIF的放大版本，使用它作为光瞳滤波器很可能导致效果变差。另一种放大MIF的方法则是使用透镜成像放大。我们在这里使用2号GIF(即GIF2)将LCF-GIF2界面处的MIF成像放大到3号GIF(即GIF3)的入瞳位置。被透镜成像放大的MIF最终作为探头的光瞳滤波器。

表1探头所选取的光纤的规格(波长为1.3μm)

预期LCF末端的MIF以及所选择的对MIF的放大方式是影响出射光束特性的主要因素。根据LCF中允许存在的有限个模式分类，这里有三种情况，包括LCF中主要存在LP₀₁模因此模式干涉可忽略的情况，以及LCF中同时存在LP₀₁模和LP₀₂、有明显的模式干涉但在LCF末端模式相位差明显不同的两种情况。上述三种情况加上两种对MIF的放大方式，对应于六种典型的参数选取方式。表1列出了探头中各光纤的规格(波长为1.3μm)。表2列出了六种典型情况下探头的各段光纤长度和出射光束特性。其中例I(几乎没有模式干涉)，例II和例III(存在明显的模式干涉但不同的模间相位差)采用透镜成像的方式放大MIF。作为对比，例IV(几乎没有模式干涉)，例V和例VI(存在明显的模式干涉但不同的模间相位差)采用直接衍射的方式放大MIF。

表2六种典型情况下探头中各光纤的长度和出射光束特性

探头出射光束的归一化焦深扩展倍数(Nomalized depth of focus gain,NDOFG)可表示为：

其中λ为中心波长，n为探头外介质的折射率，光束直径(FHWM)定义为光束横向光强的半高全宽，焦深(DOF)定义为光束直径小于两倍其最小值的深度范围。对于高斯光束，有NDOFG等于1。

LCF末端的模间相位差为：

其中Δφ₀为GIF1-LCF界面处的初始模间相位差，

为LCF中LP₀₂模和LP₀₁模之间的传播常数之差，L_GIF1和L_LCF分别为GIF1和LCF的长度。

表2所列举的六个示例的GIF1和LCF的长度选择对应于以下三种情况，其中第一种情况几乎没有模式干涉但具有最高的耦合效率，第二种情况和第三种情况存在明显的双模干涉但具有完全不同的模间相位差。其中例I和例IV使用四分之一节距的GIF1使得LCF中主要激发LP₀₁模且几乎没有模式干涉。这里LCF的长度对MIF几乎没有影响，其选取以实现与例III和例VI相同的模间相位差为参考。例II、例III、例V以及例VI的GIF1和LCF的长度的选取以实现明显的双模干涉和最大化的焦深扩展为目标。但示例II和示例V的LCF末端具有与示例III、示例VI完全不同的模间相位差，导致它们的出射光束具有不同的轴上光强分布。所有六个示例中的NCF的长度相同，且其选取以放大后的MIF能完全充满GIF3的入瞳为目标。GIF2的长度则根据图1(b)中P1和P2的共轭关系选取。所有六个示例中的GIF3的长度相同，其选取以实现约5μm的最小出射光束直径(MBD)为目标。

为了说明对出射光束的调控能力，我们对探头的六个典型设计示例进行了光学仿真。光束传播法(Beam propagation method)以及角谱法被分别用于对波导结构和均匀介质(如无芯光纤和空气)的仿真。六个示例中出射光束在空气中的光场强度分布如图2所示，对应的光束特性在表2中列出。其中存在明显双模干涉的例II、例III、例V和例VI具有显著的焦深扩展效果(NDOFG≥1.5)。此外，由于模间相位差不同，示例II和示例V的出射光束在焦深区域内出现了干涉相消现象，而示例III和示例V中则没有出现类似的情况。因此，调控模间相位差是实现出射光束的轴向光强均匀化的关键。此外，使用透镜成像方式放大MIF的示例III同时实现了均匀聚焦和最大的焦深扩展倍数，因此作为最优参数被用于所提出的探头的设计。与原有的工作距为130μm的探头设计相比，所提出的探头在空气中的工作距提高到200μm。

为了制作基于示例III的探头，各光纤序列被光纤切割刀和光纤熔接机依次切割、熔接至探头的末端。作为对照，我们制作了具有同等横向分辨率的传统探头，如图3(a)所示。为了减轻探头的端面反射，一小段角度切割的NCF被熔接至上述两个探头的末端。图3(b)展示了所制作的两个探头的显微照片。由于各段光纤具有与标准单模光纤一致的外径，所提出的探头机械稳定性高、应用场景灵活。

为了对比说明所提出的探头在OCT成像上的优势，上述两个制作好的探头被接入到搭建的扫频OCT系统中，如图4所示。扫频光源的中心波长为1.3μm，带宽为100nm。为了实现二维或三维成像，探头保持静止，同时样品放置在二维电动导轨上横向扫描。采集的干涉光谱信号经等波数间隔采样、色散补偿和快速傅里叶变换后，形成所需的OCT图像。

探头出射光束的直径和焦深通过对放置在不同的深度处的1951USAF分辨率测试靶成像进行标定。分辨率测试靶的第7组第1～6单元被用于测试，对应的线对周期为4.4μm～7.8μm。测得的传统探头和所提出的探头的横向分辨率随深度的变化如图5(a)和图5(b)所示，分别对应于103μm和211μm的焦深。图5(c)和图5(d)展示了在探头焦点位置处测试靶的反射图，显示出两探头具有类似的最优横向分辨率且都优于4.4μm。因此，与传统探头相比，所提出的探头在保持同等横向分辨率的同时，实现了两倍的焦深扩展。此外，图5(a)和图5(b)显示，所测得的传统探头的工作距为100μm，而所测得的所提出的探头的工作距为174μm。由于探头末端熔接的一小段NCF，上述两个探头的实际工作距有所减小。另外，所测得的上述两个探头的轴向分辨率相同，都为11.3μm。

我们提出了一种利用光纤模式干涉同时实现焦深扩展、工作距延长、轴向光强均匀性优化的用于OCT的探头。所制作的探头的远端光学组件的直径为125μm，长度为2.6mm。与具有相同横向分辨率(优于4.4μm)的传统探头相比，所提出的探头具有两倍的焦深和1.7倍的工作距。由于具有优化的成像质量、易于制造、结构可靠和应用场景灵活的优点，该探头在重要领域中具有应用潜力。

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